Beleuchtungsgesteuerte Nachführung für Solarmodule

Ich habe im Laufe der letzten zwei Jahrzente schon verschiedene Varianten von Nachführungen für Solarmodule ausprobiert. Dabei hat man mit unterschiedlichsten elektronischen aber auch mechanische Aufgaben zu tun.

Grundsätzlich gibt es dabei zwei verschiedene Möglichkeiten: entweder man misst die Lichteinstrahlung mit einem Sensor direkt am Modul oder nutzt einfach die Tageszeit um die Position der Sonne zu berechnen. Während die letztere Möglichkeit robuster ist benötigt man hier jedoch einen Servoantrieb für das Solarmodul sowie eine entsprechende Steuerung per Mikrocontroller. Die erste Lösung kommt ohne dies aus, da die Sonneneinstrahlung relativ zur Panelposition bestimmt wird und ein einfacher Gleichspannungsmotor je nach Signal angesteuert wird. Dafür benötigt man hier Endschalter um den Positionsbereich zu begrenzen.

Größtes Problem bei der Sache ist es alles möglichst Witterungsfest aufzubauen und zu verpacken. Das betrifft zum einen den Schutz vor Feuchte als auch die Verwitterung der transparenten Teile des Gehäuses Diesen Frühling war es wieder soweit, irgendwo ist wiedereinmal Wasser eingedrungen sein. Vor diesem Hintergund habe ich mir vorgenommen eine neue, robustere Variante zu entwickeln.

Umsetzung

Das neue Design habe ich unter Berücksichtigung der folgenden Gesichtspunkte erstellt:

  • Möglichst niederiger Gesamtstromverbauch, insbesondere während der Nach wenn keine Energie vom Solarmodul kommt.
  • Verwendung von SMD Bauteilen um die Angriffsfläche für Feuchtigkeit klein zu halten.

Als Lichtsensoren verwende ich Leds. Ich hatte zunächst vor diese in sogenannter "Reverse-Mount" Technik mit auf der Steuerungsplatine anzuordnen. Diese Leds "schauen" dann durch ein Loch in der Platine durch diese hindurch. Die Rückseite der Platine sollte dann vollflächig mit einer Glasplatte versehen werden um die Oberseite des neuen Gehäuses zu bilden. Dieser Konstruktion wird dann durch eine kleine senkrechte Metallplatte zum Schattenwurf vervollständigt.

Das Ganze benötigt allerdings noch ein anständiges Gehäuse und wäre in meinem Fall auch schlecht anzubringen gewesen. Daher habe ich dann doch die Leds getrennt von der Steuerung in einem extra Sensor untergebracht. Dieser ist per Kabel mit der Steuerugsplatine verbunden.

Schaltung

Die Schaltung besteht aus zwei Teilen, dem Detektor und dem Motortreiber. Das ganze wurde auf möglichs geringen Stromverbrauch getrimmt. Da hat es gut gepasst das ich vom ST Sample Paket der Embedded World Messe 2015 noch einige TS882IST Komparatoren hatte. Deren Stromverbrauch ist mit etwa 500nA quasi vernachlässigbar.

Schaltplan Detektor

Aufgabe des Dektors ist es zu erkennen ob Tag ist, und ob die Sonne im Westen steht. Zur Messung verwende ich dafür Leds. Die Auswahl der richtige Led ist entscheidend für die spätere Funktion. Zum Testen ob eine Led geeignet ist, schaltet man einfach zwei Leds antiparallel zusammen und verbindet diese noch mit einem 10MOhm Widerstand. Je nach dem welche Seite dann mit Sonne(!) beleuchtet wird sollte man eine positive oder negative Spannung von 0.7 oder mehr Volt messen. Die so geschalteten Leds bilden die Kernkomponente des Sensors. Die Schaltung verwendet zwei Sensoren: Einen für Tageserkennung/Rücklauf und einen um der Sonne zu folgen. Für die Tagerkennung habe ich beide Leds parallel geschaltet. Da die Schaltung sowieso sehr viele Transistoren verwendet, habe ich die Spannungsversorgung des Komparators diskret aufgebaut. Dadurch erhalte ich auch gleich die weiteren Referenzspannungen. Der Komparator wird mit hier mit 1,5V betrieben. Für die Steuersignale ergeben sich dadurch Pegel von 0V und 1,5V. Diesen genauen Pegel verwende ich dann im Motortreiber auch gleich um eine definierte Gate-Source Spannung zu generieren, wodurch ich mir zumindest zwei Z-Dioden sparen kann.

Der Motortreiber besteht aus zwei spiegelsymmetrischen Halbbrücken, welche im Ruhezustand jeweils eine Seite der Brücke durch entsprechenden Pull-Down oder Pull-Up Widerstand aktiviert haben.

Schaltplan Motortreiber

In diesem Ruhe-Zustand benötigt die H-Brücke selbst keinen Strom solange die Betriebsspannung kleiner als die Durchbruchsspannung der Begrenzungs-Z-Diode sind. Typischerweise wählt man diese im Bereich von 15-25V je nach maximaler Gate-Source Spannung des Mosfet. Man kann diese auch weglassen, wenn die Betriebsspannung klein genug ist. Wichtig ist jedoch die Supressordiode hinter dem Stromversorgunsanschluss um Induktionsspannungen, welche bei im Auschaltmoment des Motors auftreten, zu begrenzen. Bei den Halbbrücken wird ausgenutzt, dass der Ein-Pegel des Steuersignals bei 1.5V liegt um die Gate-Source Spannung des jeweils anderen Mosfet zu definieren: In eingeschaltetem Zustand fließt durch die Ansteuerschaltung ein Querstrom von etwa 0.5mA welcher in Verbindung mit R2/R19 die Gate-Source Spannung auf etwa 11V festlegt.

Die Dioden D3 und D16 sind notwendig um die Transistoren Q2 und Q10 vor einer Umpolung der Basis-Emitter-Strecke zu schützen. Dies tritt im Ruhezustand durch die Pull-Up Widerstände auf und würde die Transistoren zerstören. Dadurch ist in der Folge notwendig die Dioden D5 und D14 einzubauen, damit die Steuersignale im Ruhezustand nicht auf die Gates der durch Pull-Up/Pull-Down Widerstände gesteuerten Mosfets einwirken.

Der Stromverbrauch der Schaltung (ohne Motor) und für Betriebsspannungen kleiner der Durchbruchsspannung der Z-Dioden ist wie folgt:

  • Nacht (Rücklauf aktiv): 100µA
  • Tag, Modul ausgerichtet: 0,5mA
  • Tag, Modul wird nachgeführt: 1mA

Mechanischer Aufbau

Wie oben bereits beschrieben ist die Schaltung vollständig in SMD-Bauweise umgesetzt. Um die Schaltung noch besser vor Feuchtigkeit zu schützen habe ich diese zum Schluss mit URETHAN 71 beschichtet. Bevor man das tut sollte die Schaltung getestet werden, denn das Zeug bekommt man nicht wieder ab.

Foto Steuerplatine vor Beschichtung mit URETHAN 71

Ich habe die Sensor-Leds in eine externes Gehäuse auf Basis eines Reagenzglases eingebaut. Der Sensor wird mittels der Schraube an der Solarmodulhalterung angebracht und kann durch Drehung einfach justiert werden.

Foto Ost-Seite des fertig aufgebauten Sensors

Foto West-Seite des fertig aufgebauten Sensors

Fazit

Ich bin auch bei dieser Schaltungsvariante auf verschiedene Probleme gestoßen und habe wiedermal viel gelernt. Die meiste Zeit haben mich ungeignetet Leds gekostet, da ich ursprünglich einen unzureichenden Test für die Auswahl benutzt habe: man muss wirklich zwei Leds antiparallel schalten um passende Leds zu finden, es reicht nicht die Spannung an einer einzelnen Led zu messen. Das zweite Problem war die Rückwärtspolung der Basis-Emitter Strecke welche ich nicht erkannt habe. Vor diesem Punkt hat mich auch die Simulation der Schaltung mit NGSpice nicht bewahrt. Wie ich inzwischen weis, wird dieser Aspekt nämlich leider nicht mit simuliert. Zum Schluss habe ich dann noch mit Oszillationen in der Detektorschaltung gekämpft: Aufgrund der Länge des Kabels und der hohen Empfindlichkeit der Komparatoreingänge hat die Netzfrequenz eingekoppelt. Dieses Signal wird durch die Filterkondensatoren im Normalfall geblockt, leider war einer der beiden verwendeten Exemplare defekt. Auch dies hat mich einige Zeit gekostet: Messungen mit dem Oszilloskop an der Schaltung sind quasi unmöglich, da dieses den Messwert bereits zu stark verfälscht und auch normale Multimeter müssen mit Bedacht eingesetzt werden.

Wenn ich die Schaltung nochmals aufbauen muss, dann werde ich wohl einen kleinen Mikrocontroller verwenden. Auch wenn dieses einfache Problem mit einer Analogschaltung zu lössen ist, so hat man mit einem Programmieren Baustein doch bessere Möglichkeiten das Verhalten der Schaltung zu gestalten und die Messwerte zu verarbeiten. Ich denke mit den entsprechenden Spannungsreglern kann auch der Stromverbrauch nochmals gesenkt werden.